金屬所研制出雙極可調(diào)整流特性的原子厚度隧穿晶體管

　　近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研究人員利用范徳華人工堆垛技術(shù)，在少數(shù)原子層硫化鉬（MoS2）與金屬電極之間插層高質(zhì)量六方氮化硼（h-BN）隧穿結(jié)構(gòu)，制造出能夠通過(guò)門電壓調(diào)制的雙極反向整流器件。該項(xiàng)成果在單個(gè)納米器件中集成了場(chǎng)效應(yīng)管與多工作組態(tài)二極管（圖1），有望開辟基于二維原子晶體的超微型信息器件的新途徑。10月17日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》上。

　　高質(zhì)量層狀垂直異質(zhì)結(jié)的制備，需要利用超高真空分子束外延生長(zhǎng)等手段。然而，此類制備方法對(duì)外延材料的基底晶格匹配等要求較高。范徳華堆垛方法是近年來(lái)興起的凝聚態(tài)物理研究前沿之一，其利用層狀材料的范徳華結(jié)合力，將不同的二維、準(zhǔn)二維材料人工堆垛成為任意異質(zhì)結(jié)構(gòu)，可降低受基底材料的局限。該方法一經(jīng)發(fā)明，在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域引發(fā)全球范圍的研究熱潮。目前，該體系已在介觀尺度下實(shí)現(xiàn)了由超高質(zhì)量界面引起的整數(shù)與分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)、電子光學(xué)等新奇物理特性。

　　金屬所磁性材料與磁學(xué)研究部研究人員發(fā)明了倒置范徳華堆垛的新方法（圖2）。解決了傳統(tǒng)范徳華垂直異質(zhì)結(jié)構(gòu)難以獲得高質(zhì)量超薄頂層的結(jié)構(gòu)性難題，目前已申請(qǐng)中國(guó)專利一項(xiàng)。基于上述倒置轉(zhuǎn)印范徳華堆垛的制備方法，研究人員以少數(shù)層二硫化鉬（MoS2）為研究體系，利用超?。ㄉ贁?shù)原子層）的六方氮化硼（h-BN）作為范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的隧穿層，系統(tǒng)開展了隧穿晶體管器件研究。研究表明，通過(guò)在金屬（Au）和半導(dǎo)體（MoS2）界面之間引入隧穿h-BN，可有效降低界面處的肖脫基勢(shì)壘，從而實(shí)現(xiàn)通過(guò)局域石墨背柵的對(duì)通道MoS2費(fèi)米能級(jí)的精確靜電調(diào)控（圖3）。

　　所獲得的MoS2隧穿晶體管僅通過(guò)門電壓調(diào)控即可以實(shí)現(xiàn)具有不同功能的整流器件，包括pn二極管、全關(guān)、np二極管、全開器件（圖4）。這項(xiàng)工作利用電子隧穿，首次將雙向可調(diào)的二極管和場(chǎng)效應(yīng)管集成到單個(gè)納米器件中（此前要通過(guò)集成電路才能實(shí)現(xiàn)），為未來(lái)超薄輕量化、柔性多工作組態(tài)的納米器件開創(chuàng)了新的研究方向。

　　該項(xiàng)工作得到了國(guó)家青年千人計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室等的資助。

　　論文鏈接 

圖1.（a）MoS2隧穿晶體管示意圖；（b）輸入正弦波在門電壓調(diào)制下的雙向整流效應(yīng)

圖2.實(shí)驗(yàn)制備倒置范徳華堆垛異質(zhì)結(jié)的示意圖及光學(xué)照片

　　圖3.（a）MoS2隧穿晶體管光學(xué)照片；（b）器件在源漏偏壓和門電壓參數(shù)空間中的輸出電流特性；（c）樣品的垂直截面透射電鏡圖像

　　圖4.MoS2隧穿晶體管僅通過(guò)門電壓調(diào)控即可以實(shí)現(xiàn)具有不同功能的整流器件，包括正向?qū)?、全關(guān)、負(fù)向?qū)?、全開器件